Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние агроэкологических факторов на развитие водной эрозии почв на пологих склонах в Южном Предуралье

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние агроэкологических факторов на развитие водной эрозии почв на пологих склонах в Южном Предуралье"

005010066

На правах рукописи

КОМИССАРОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАЗВИТИЕ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ НА ПОЛОГИХ СКЛОНАХ В ЮЖНОМ

ПРЕДУРАЛЬЕ

Специальность: 03.02.13 -почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

_ _ ГГ

1 С 0_3

Уфа-2012

005010066

Диссертационная работа выполнена в лаборатории почвоведения Учреждения Российской академии наук Института биологии Уфимского научного центра РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Габбасова Илюся Масгутовна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Середа Нина Алексеевна

доктор биологических наук,

Чурагулова Зил я Султановна

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная

сельскохозяйственная академия»

Защита состоится «2.І» февраля 2012 г. в (2. :00 часов на заседании диссертационного совета Д 200.003.01. при ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «27» января 2012 г. и размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» www.bsau.ru, а также в сети Интернет Министерства образования и науки Российской Федерации.

Ученый секретарь диссертационного совета, / ,

доктор с.-х. наук, доцент > P.P. Г айфуллин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эрозия почв - одна из основных причин потери почвенных ресурсов. Являясь наиболее распространенной из всех видов почвенной деградации, она приносит громадный экономический и экологический ущерб, так как угрожает самому существованию почвы как основному средству сельскохозяйственного производства и незаменимому компоненту биосферы (Добровольский Г.В., 1993). Согласно данным ФАО, общие мировые потери продуктивных земель от эрозии оцениваются примерно в 6,7 млн. га, а потери плодородного слоя - в 24 млн. т ежегодно (Lai R., 1991).

Современная водная эрозия проявляется при сочетании природных и антропогенных факторов. Сочетание определенных природных факторов создает предпосылки для проявления ускоренной эрозии, а нерациональная хозяйственная деятельность является основной причиной ее развития (Кирюшин В.И., 1996).

В Южном Предуралье значительная доля пашни расположена на склонах крутизной 1-3°, где нередко развивается водная эрозия почв. Одной из основных природных причин ее развития является весенний сток. Среди антропогенных факторов эрозионно-опасными являются: вспашка с оборотом пласта вдоль склона, посев на них пропашных культур, несоблюдение режимов орошения дождеванием.

Целью исследований явилось изучение влияния основных агроэкологических факторов на развитие водной эрозии на пологих склонах в Южном Предуралье.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Дать характеристику комплекса свойств черноземов выщелоченных, сформированных на водоразделе и пологих склонах на пашне, целине и под лесом.

2. Изучить влияние мощности снежного покрова, глубины промерзания почвы и скорости снеготаяния, степени защищенности почвы растительностью на величину твердого стока и его состав на водосборах с малыми уклонами.

3. Определить основные факторы, влияющие на развитие водной эрозии при моделировании ливневых осадков методом дождевания.

4. Изучить влияние различного качества дождя при поливе дождеванием на развитие ирригационной эрозии.

5. Изучить характер и степень заиления прудов, расположенных вблизи пашни и леса.

Научная новизна. Впервые для территории Южного Предуралья проведены комплексные исследования по влиянию агроэкологических факторов в том числе: мощности снежного покрова, глубины промерзания почв и скорости снеготаяния, количества осадков и их интенсивности, степени защищенности земель растительностью на развитие эрозионных процессов на черноземах выщелоченных, сформированных на пологих склонах. Показано,

что величина твердого стока в период снеготаяния зависит в первую очередь от степени мерзлотной цементации почвы и температуры воздуха, наличия и характера растительности, а запасы влаги в снеге и общий объем стока не имеют существенного значения. Впервые для региона определены физические и химические свойства твердого стока, образующегося в различных условиях. Выявлены эрозионно-допустимые нормы и интенсивность поливов при непрерывном и прерывистом дождевании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Характеристика черноземов выщелоченных, сформированных на водоразделе и пологих склонах на пашне, целине и под лесом.

2. Специфика развития водной эрозии почв на пологих склонах, в зависимости от ряда агроэкологических факторов в условиях весеннего снеготаяния, моделирования ливневых осадков и орошения.

3. Основные факторы и особенности заиления прудов, примыкающих к полевым и лесным водосборам.

Практическая значимость и рекомендации производству. Полученные материалы могут быть использованы при составлении прогнозов развития эрозии почв на пологих склонах в зависимости от вида угодья и природно-климатических условий региона. Выявленные эрозионнодопустимые поливные нормы и интенсивность дождя на склоновых землях целесообразно учитывать при расчете режимов орошения. При проектировании прудов необходимо оценивать вид прилегающих угодий, по возможности увеличивать водоохранную зону при наличии распаханной водосборной площади, проводить закладку лесных водорегулирующих полос и защитных гидротехнических дамб.

Материалы исследований используются при чтении курса «Мелиорация и рекультивация земель» на факультете Землеустройство и Лесное хозяйство в Башкирском Государственном Аграрном Университете.

Связь работы с научными программами. Работа выполнена при поддержке Фонда Фольксваген «Влияние землепользования (в постсоветский период) и изменения климата на водный баланс ландшафтов в лесостепной зоне Башкортостана» (Программа: I / 81581; Проект: 60601171).

Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы доложены и опубликованы в материалах: IV Всероссийской научно-практической конференции «Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в инновационном развитии сельского хозяйства» (Уфа, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение инновационного развития АПК» (Уфа, 2010); Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития АПК» (Уфа, 2010); Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург, 2011); VI Международной научно-практической конференции «География и геоэкология Сибири» (Красноярск, 2011); I Международной

научно-практической конференции «Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий» (Чебоксары, 2011).

По материалам исследований опубликовано 13 работ, в том числе 5 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является обобщением результатов исследований автора, проведенных в 2008-2011 гг. Тема, цель, задачи, объекты, методы и программа исследования определены автором совместно с научным руководителем. Полевые исследования в период снеготаяния, опыты с моделированием ливневых осадков и топографическая съемка экспериментальной территории проведены лично автором. Аналитические исследования проведены автором лично или с его участием. Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 131 странице, состоит из введения, шести глав, выводов, рекомендаций производству и приложения. Список литературы включает 275 работ, в том числе 16 работ зарубежных авторов. Диссертация иллюстрирована 22 рисунками и 20 таблицами.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность сотрудникам лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН и научному руководителю за помощь и высококвалифицированные консультации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ВОДНАЯ ЭРОЗИЯ ПОЧВ И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЕЕ РАЗВИТИЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

В главе приводится аналитический обзор литературы о понятии и видах водной эрозии, ее масштабах, распространении и истории изучения эрозии почв, прогнозировании и моделировании эрозионных процессов. Отмечается ряд негативных воздействий водной эрозии на компоненты окружающей среды: рост оврагов, снижение плодородия почв, загрязнение водных объектов и т.д. (Докучаев, 1949; Соболев, 1945, 1948, 1950, 1961; Преснякова, 1945; Дьяченко и др., 1946; Богомолов, 1954; Туровцев, 1958; Тайчинов, 1964; Ковда, 1973, 1989; Розанов, 1977; Гарифуллин, Миндияров, Рамазанов, 1980;

Заславский, 1983; Косоуров, 1984; Лысак, 1988; Добровольский, Никитин, 1991; Сурмач, 1992; Федоров, 2005 и др.). Результаты исследований по эрозии почв в регионе наиболее полно обобщены в двухтомной монографии «Почвы Башкортостана» под редакцией Ф.Х. Хазиева (1995,1997).

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводили на естественных водосборах и стоковых площадках на территории водно-балансовой станции (ВБС) управления по мониторингу мелиорируемых земель ФГУ «Башмелиоводхоз». Объектами исследований явились черноземы выщелоченные, сформированные на пологих склонах под различной растительностью.

В главе описаны географическое положение и климатические особенности территории района исследования, геологическое строение и рельеф, почвообразующие породы, растительность и почвы.

Для характеристики исследуемой территории как земельного участка была выполнена топографическая съемка согласно (ГКИНП 62-033-79) в масштабе 1:2000 в международной системе координат \VGS-84, балтийской системе высот и сечением горизонталей через 1 метр (рис.1). Для стоковых площадок была выполнена более детальная съемка в масштабе 1:100.

Рис. 1. Топографический план места проведения исследований на водосборах

На участках полевого и лесного водосбора и стоковых площадках определяли осенние и весенние запасы влаги в почве путем отбора проб на влажность (Вадюнина, Корчагина, 1973). В период устойчивого снежного покрова проводились наблюдения за высотой и плотностью снежного покрова

на поле и в лесу. Высоту снежного покрова определяли переносной снегомерной рейкой через каждые 10-20 м, а плотность - снегомером-плотномером через каждые 100-200 м. Маршрутные съемки проводили через 10 дней в период устойчивого снежного покрова и через 5 дней в период активного снеготаяния. Глубину промерзания почвы определяли при помощи мерзлотомера Данилина, водопроницаемость почв - методом цилиндров, температуру почв определяли при помощи электронных почвенных термометров Keytag, сопротивление пенетрации почв - пенетрометром FieldScout.

Основные метеорологические данные (температура и влажность воздуха, осадки, атмосферное давление, солнечная радиация, скорость и направление ветра) получали с автоматизированной климатической станции, установленной на территории ВБС, которая фиксирует показатели ежечасно. Также в расчетах использовались данные регулярных (ежедневно в 8:00 и 20:00) метеорологических наблюдений за среднесуточной температурой воздуха и количеством осадков (Метеопост «Дмитриевский»).

По контуру изучаемых водосборов были сооружены земляные валики с водоотводными канавами. Наблюдения за расходом воды в нижних частях склонов на водосборах проводили с использованием стационарно установленных треугольных водосливов Томсона, а на стоковых площадках, где в нижних их частях сооружены водосливные стальные трубы, расход воды определяли объемным способом. Смыв почвы (твердый сток) определяли по мутности воды (Боголюбова и др., 1975; Сурмач и др., 1975). Замеры расходов воды и отбор проб на мутность проводили в течении всего периода стока через каждые 3 часа с 9:00 - 21:00. В ночное время наблюдения не велись, так как в это время температура воздуха была преимущественно отрицательной и сток отсутствовал. Отбор проб стока проводили по всей глубине потока. Пробы отстаивали, фильтровали, фильтры высушивали до постоянной массы и взвешивали.

Образцы почв отбирали из основных генетических горизонтов, лабораторно-аналитические исследования проводили общепринятыми методами (Аринушкина, 1970; Вадюнина, Корчагина, 1986). Результаты анализов обрабатывались статистически (Доспехов, 1979; Дмитриев, 1995) с помощью программы Excel и Statistika for Windows 4.5.

3. ВЛИЯНИЕ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМОВ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ НА ПОЛОГИХ СКЛОНАХ

В почвах одного типа, функционирующих в различных агроэкологических условиях, проявляются свои особенности. При проведении почвенного обследования на территории ВБС было заложено 20 почвенных разрезов. В лесу и на целине участков с заметным проявлением последствий водной эрозии не выявлено. На распаханных пологих склонах, где весенний и ливневый стоки протекают более интенсивно, встречаются средне и слабоэродированные почвы. Для характеристики свойств черноземов выщелоченных,

7

сформированных в разных агроэкологических условиях и разной степени эродированности почвенные разрезы были заложены на выровненном водоразделе и средней части склона крутизной 1-3° на пашне, на залежи (20 лет) и в лесу. Их местоположение отображено на топографической карте (рис. !)•

Анализ морфологических свойств почв показал, что почвообразующими породами являются аллювиально-делювиальные отложения разного механического состава, супесчаные на водоразделе и среднесуглинистые - на пологом склоне, общим для них является наличие карбонатов. Слабое вскипание от 10 % раствора НС1 отмечено в супесчано-гравийной почвообразующей породе, сильное - в аллювиально-делювиальной глине. В пределах почвенного профиля вскипание выявлено в нижней части иллювиального горизонта или переходном к почвообразующей породе, что характерно для черноземов выщелоченных. Гумусово-аккумулятивные горизонты всех почв характеризуются темно-серой окраской и хорошей структурой, вместе с тем, на пахотных почвах структура в основном порошисто-комковатая, а на залежи и в лесу - комковато-зернистая, на корнях образуются бусы. Но главным различием является мощность гумусовоаккумулятивных горизонтов (А+АВ), которая составляет (Р.1) 60 см на водоразделе, (Р. 2) 30 см - в средней части склона на пашне, (Р.З) 44 см на залежи и (Р. 4) 78 см в лесу - в нижней слабопологой части склона. Если с некоторой долей условности почву разреза 1 считать неэродированной, то почвы разрезов 2 и 3 классифицируются как средне и слабоэродированные, а почва разреза 4 в лесу - намытая.

По механическому составу все пахотные почвы - легкоглинистые с содержанием фракции физической глины 62-71,5 %, на залежи верхний горизонт тяжелосуглинистый. Пахотные почвы отличаются довольно высоким содержанием мелкой пыли и ила, на залежи преобладают ил и крупная пыль. В средне- (пашня) и слабоэродированном (залежь) черноземе выщелоченном, в верхнем горизонте наблюдается существенное снижение песчаной фракции (1-

0,25 мм) по сравнению с неэродированной почвой (в 3-4 раза). В меньшей степени в них уменьшилось содержание ила и возросло количество мелкого песка и крупной пыли. Такое изменение гранулометрического состава хорошо согласуется с составом сносимого при развитии водной эрозии мелкозема, в котором преобладают мелкодисперсные фракции.

В профиле черноземов выщелоченных наблюдается передвижение вниз илистой фракции с максимумом в иллювиальных горизонтах, что особенно выражено в среднеэродированном варианте.

В структуре пахотных черноземов выщелоченных преобладает глыбистая фракция, причем в среднеэродированном варианте количество агрегатов > 10 мм достигает 52,5 % против 31,6 % в пахотном слое неэродированной почвы, а коэффициент структурности уменьшается с 1,8 до 0,8. В верхнем горизонте слабоэродированной почвы, залежи глыбистая фракция составляет 9,6 %, а преобладают средние и крупные комочки, коэффициент структурности при этом достигает 7,4. Как известно, наилучшие водно-воздушные условия почв

степной зоны складываются при размере агрегатов от 0,25 до 3 мм. В пахотном слое неэродированной почвы сумма этих агрегатов составляет 32,8 %, в среднеэродированной - 16,7 %, в почве залежи - 24,2 %. В более глубоких слоях этих почв различия в структурно-агрегатном составе несколько сглаживаются.

Содержание водопрочных агрегатов во всех изученных почвах превышает 80 %, что характеризует водопрочность структуры, как избыточно высокую. Такая водопрочность с одной стороны способствует увеличению водопроницаемости почвы, сокращению поверхностного стока, уменьшению смыва и размыва почвы, а с другой - может вызвать значительное возрастание порозности аэрации, в результате чего увеличивается непроизводительный расход влаги на физическое испарение. В черноземах выщелоченных порозность аэрации не зависимо от степени эродированности изменяется в диапазоне 51-57 % и является оптимальной для формирования водновоздушного режима. Вместе с тем, в среднеэродированной почве общая пористость самая низкая. При этом среднеэродированная почва обладает относительно более высокой плотностью сложения, которая характеризуется как уплотненная (1,22 г/см3), тогда как в неэродированной почве и на залежи она оптимальная для большинства культур (1,17-1,06 г/см3). Вниз по профилю плотность сложения во всех почвах увеличивается. Плотность твердой фазы в изученных почвах почти одинаковая. Следует отметить, что почва под лесом существенно отличается по всем водно-физическим свойствам от почв пашни и залежи. Она характеризуется самой высокой водопроницаемостью, комковатой структурой, рыхлым сложением, самой высокой водоудерживающей способностью и порозностью аэрации.

Рассматривая критерии оценки почвенной влаги в отношении доступности растениям в почвах пашни и залежи становится очевидным, что развитие водной эрозии приводит к уменьшению влагоемкости по всему профилю почв. Наиболее выражено снижение наименьшей и капиллярной влагоемкости в пахотном горизонте среднеэродированного чернозема выщелоченного, что обусловлено в первую очередь уменьшением содержания в этой почве илистой фракции и гумуса. В слабоэродированном черноземе выщелоченном после 20 лет нахождения под залежью показатели влагоемкости оказались более высокими, чем в неэродированном пахотном аналоге.

По агрохимическим свойствам (табл. 1) черноземы выщелоченные относятся к наиболее благоприятным для возделывания сельскохозяйственных культур. Неэродированная почва (Р. 1) характеризуется высоким содержанием гумуса, слабокислой реакцией среды, высоким содержанием поглощенных оснований с преобладанием кальция, высокой обеспеченностью азотом и средней - фосфором. В среднеэродированной почве уменьшается содержание гумуса и питательных элементов, реакция среды изменяется до среднекислой на фоне уменьшения количества поглощенных оснований.

В слабоэродированной почве залежи изменение агрохимических свойств не так однозначно, как водно-физических. По сравнению с неэродированным аналогом в них несколько возросло содержание гумуса и азота, но реакция

среды осталась более кислой (среднекислые) и обеспеченность подвижным фосфором очень низкая.

Таблица 1. Агрохимические свойства черноземов выщелоченных

Горизонт и глубина, см. Гумус ,% pH Н20 рНксі Са"+ Фосфор, мг/100 г Азот щел,-гидр., мг/кг

мг-экп/]00г Полв. Вал

Разрез 1, водораздел; чернозем выщелоченный неэоодиоованный

А„ 0-20 8,75 6,20 5,42 35 12 6,67 225,7 175

А, 22-42 7,14 6,04 5,37 29 16 6,24 188,1 189

АВ 42-60 4,53 5,82 4,68 26 15 0,60 62,7 77

В 60-80 3,05 6,22 4,68 26 15 0,60 94,0 56

ВС 80-100 1,16 6,48 5,14 27 13 2,14 78,4 49

С 120-130 0,78 7,92 7,18 10 5 1,21 47,0 14

Разрез 2, склон; чернозем выщелоченный среднеэродированный

Ап 0-18 7,43 5,92 5,07 29 13 6,40 219,4 168

АВ 25-30 3,60 5,54 4,56 25 12 1,07 97,2 77

В, 35-42 2,90 5,80 4,54 31 8 0,71 62,7 56

В„ 42-70 2,11 7,88 6,75 41 7 1,43 100,3 35

С 98-110 1,20 7,94 7,03 40 7 1,19 62,2 14

Разрез 3, залежь (20 лет); че рнозем выщелоченный слабоэполипо ванный

А, 6-34 9,14 5,90 5,02 33 6 2,67 188,1 231

АВ 34-44 8,05 5,85 4,80 31 6 2,38 94,0 91

В 44-89 3,08 5,74 4,64 30 6 2,62 94,0 42

ВС 89-100 1,52 6,39 5,26 32 5 5,79 144,2 28

С 106-125 0,93 7,92 7,02 33 , 1 1,45 100,3 21

Разрез 4, Лес; чернозем выщелоченный, неэродированный

А, 0-10 10,01 6,64 6,02 46 9 2,43 473,4 343

А| 10-20 10,85 6,49 5,79 50 10 1,74 470,2 329

А і 22 - 52 6,72 6,89 5,95 41 8 1,14 291,5 84

АВ 52 - 78 2,93 6,95 5,93 31 8 0,60 275,9 42

В 78 - 140 1,14 7,26 6,09 28 9 1,19 294,7 35

С 140- 160 0,68 7,34 6,16 26 9 2,17 247,6 21

4. ЭРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СНЕГОТАЯНИИ НА ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОСБОРАХ

Исследования по изучению стока талых вод проводили на трех водосборах, представленных не защищенной (зяблевая вспашка), защищенной пашней (стерня многолетних трав) и лесом. Основные характеристики водосборов, полученные в результате топографической съемки представлены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристика экспериментальных водосборов

Показатели Водосбор № 1 Водосбор № 2 Водосбор № 3

Вид покрытия Пашня (зябь) Пашня (стерня) Лес

Площадь, га 0,15 0,15 0,04

Ср. уклон, промилле 41 43 33

Экспозиция южная

Зимы исследуемых лет были различными: зима 2008-2009

характеризовалась как малоснежная, умеренная; 2009-2010 - среднеснежная, суровая, а 2010-2011 - многоснежная, умеренная

Осенью 2008 года первый снег выпал 7 ноября (рис. 2 А), а устойчивый снежный покров образовался только 12 декабря. Из-за недружной весны и выпадения осадков в виде снега в апреле было зафиксировано 2 оголения почвы от снега: первый сход снега - 3 апреля и второй окончательный - 26 апреля. Максимального уровня снежный покров достигал 25 марта и составил 51см. В 2009 году первый снег и образование устойчивого снежного покрова пришлось на 10 ноября, снег растаял 12 апреля, а в 2010 году - 22 ноября и 16 апреля соответственно. В 2010 году наибольшая высота снега равная 65 см была зафиксирована 22 марта, а в 2011 - 83 см 17 марта. Следует отметить, что именно перед снеготаянием в конце марта мощность и запасы воды в снеге во все годы исследований были максимальными, а почва в это время была сильно промерзшей. Этот факт указывает на повышенную эрозионную опасность для почв пологих склонов региона.

Высота снежного покрова в лесу за все годы наблюдений была выше, чем

на полевом водосборе на 15-20 см, малоснежную зиму 2008-2009 года.

что более ярко проявилось в

см

90

- - *1“ ,

Годы; -О- 2008-2009 -0- 2003-2010 -£-2010-2011

Рис. 2. Динамика мощности снежного покрова (А) и глубины промерзания почвы на полевом водосборе (Б)

Запасы воды в снеге определяются не только высотой снежного покрова, но и плотностью снега. Наши исследования показали, что плотность снега изменяется как во времени, так и в пространстве. На обоих водосборах плотность снега изменялась однонаправлено: увеличивалась по мере

повышения температуры воздуха, времени слёживания и приближения к периоду снеготаяния. Минимальная плотность была в ноябре (0,13 г/см3 в поле и 0, 11 г/см3 под лесом), максимальная - в конце марта (0,34 и 0,32 г/см3 соответственно). Следует отметить, что с увеличением мощности снега его плотность возрастала, но в лесу она была всегда ниже, чем на открытом

11

водосборе. В малоснежную зиму плотность снега была выше, чем в многоснежную. После достижения максимальной высоты снежного покрова в конце марта происходило его уплотнение, слёживание, кратковременное подтаивание и частичное или полное пропитывание водой.

Рассматривая изменение плотности снега на пологом склоне, было выявлено ее уменьшение в направлении от водораздела к нижней части склона, особенно в конце марта. На повышенных участках снег под влиянием ветра и оттепелей обычно уплотняется и его мощность уменьшается. В свою очередь, плотность снега, наряду с температурой воздуха и высотой снежного покрова, влияет на такой важный агроклиматический показатель, как промерзание и оттаивание почвы. Как известно, рыхлый снег с малыми значениями плотности обладает низкой теплопроводностью, что способствует защите почв от промерзания. Уплотнённый снег, наоборот — обладает большей теплопроводностью и в меньшей степени предохраняет почвы от охлаждения. Следовательно, высокая плотность снега на повышенных элементах рельефа является одним из факторов, увеличивающих опасность развития водной эрозии в период снеготаяния.

Запасы воды в снеге, являясь функцией мощности снежного покрова и его плотности, изменяются в соответствии с выявленными для этих параметров закономерностями. Из рисунка 3 А видно, что в 2009 году на пашне максимальные запасы воды в снеге перед снеготаянием пришлись на 25 марта и составили 68,2 мм, в 2010 году - 31 марта - 104,9 мм, а в 2011 - 25 марта -154,9 мм. В лесу (рис. 3 Б) максимальные запасы воды в снеге в 2009 году наблюдались также 25 марта и составили 93,8 мм, в 2010 году - 5 апреля -

124,5 мм, а в 2011 году — 10 апреля — 147,6 мм. Следовательно, в лесу во все годы исследований запасы воды в снеге были выше, чем на открытом водосборе и их максимум приходился на начало периода снеготаяния (конец марта начало апреля).

ГОДЫ -0- 2008-2003 -0-2009-2010 -*-2010-2011

Рис. 3. Запасы воды в снеге на полевом (А) и лесном водосборе (Б)

Глубина промерзания почвы (рис. 2 Б) также сильно различалась по годам: в малоснежную зиму 2008-2009 года она была максимальной в середине марта и на открытом водосборе достигала 84 см, в средне- и многоснежную зимы - 67 и 38 см соответственно.

Под лесом почвы промерзали на меньшую глубину. Так в 2011 году максимальное промерзание почвы в 16,5 см наблюдали с 4 по 9 февраля. В целом, почвы под лесом промерзали в 2,2 раза меньше, чем на поле и начало промерзания почв наступало позже, а оттаивание - раньше.

В наших исследованиях выявлена тесная корреляционная зависимость глубины промерзания почвы (у, см) на пашне от высоты снежного покрова (х,см), которая описывается следующим уравнением у=0,01х2 - 2,64х + 105,33 (11=98, Р=95 %). Влияние других факторов (температура воздуха, влажность почвы), оказалось статистически недостоверным, хотя очевидно, что они играют определенную роль.

Температура почвы была различной в зависимости от ее защищенности почвы растительностью. Эти различия наиболее ярко проявляются в верхних слоях почвы, с глубиной температура повышается и различия не существенны. Самая низкая средняя температура почвы за период наблюдений была на глубине 5 см на пашне (зябь) (табл. 3). На защищенной стерней почве и в лесу средняя температура была выше нуля, причем в лесу верхнем слое она была ниже, а на глубине 15 см - выше, чем на поле. Статистический анализ показал, что все выявленные различия достоверны. Более низкая температура поверхностного слоя почвы в лесу связана, очевидно, с тем, что снежный покров в лесу устанавливается на 5-10 дней позже, а его сход запаздывает на 15-20 дней.

Таблица 3. Температура почв в разных агроэкологических условиях, °С (средние значения за период с 3.11.2010 по 24.04.2011, п=2301, Р=99%)

Глубина, см Зябь Стерня Лес

5 -0,16±0,04 +0,43±0,04 +0,009±0,026

15 +0,57±0,04 + 1,02±0,03 + 1Д8±0,024

Интенсивная водоотдача из снега начинается при переходе среднесуточной температуры воздуха через 0, а сам сток - при достижении среднесуточных температур плюс 1 (сильно промерзшая почва) +4 градусов (Чалов Р.С, 1997).

В соответствии с метеоусловиями трех лет исследований в 2009 году переход среднесуточной температуры воздуха через 0 °С был 27 марта, в 2010 году - 31 марта, а 2011 году - 3 апреля. Сток на полевом водосборе, в первые 2 года начался через 6 дней, когда среднесуточная температура воздуха достигла

7,5 °С, а в 2011 году сток образовался через 3 дня (4,7 °С).

Продолжительность стока на полевом водосборе по годам была различной и составила соответственно 16, 12 и 6 суток. Наиболее длительный сток в 2009 году обусловлен тем, что после 7 апреля наблюдался возврат снежного покрова и обратный переход среднесуточной температуры через 0 °С. Самый

краткосрочный сток многоснежного 2011 года обусловлен затяжной весной, высокой инсоляцией и резким повышением температуры в середине апреля.

Под лесом сток начинался позднее почти на неделю и был непродолжительным (2-3 дня), так как основная часть талой воды впитывалась в почву еще под снежным покровом, а почва обладала хорошей водопроницаемостью (рис. 4). В 2010 году, когда почва промерзла сильнее, она не превышала 0,11 мм/мин., а в 2011 году достигала 3,13 мм/мин.

мм/мин

ми/мин

3.50

5.00

2.50

2.00

1.50 1.00 0.50 0.00

О 1

Рис. 4. Водопроницаемость почвы в период снеготаяния: А) 2010 г., Б) 2011 г.

На полевом водосборе водопроницаемость почвы была ниже, чем на лесном. Причем на стерневом участке в 1,5-2 ниже, чем на пашне после среднеснежной суровой зимы (2009-2010 гг.) и в 6-9 раз - после многоснежной умеренной (2010-2011 гг.).

Объем суточного стока на водосборах бьш различным и неравномерным во времени. Самый интенсивный сток обычно наблюдался в первые три дня после его начала и постепенно уменьшался. В отдельных случаях, например в 2009 году на полевом водосборе он полностью прекращался при понижении температуры и возобновлялся только через 3 дня. Следует отметить, что при вдвое большем объеме поверхностного стока в 2010 году, по сравнению с 2009 годом, масса твердого стока была почти одинаковой, то есть количество сносимого материала зависит, прежде всего, от интенсивности стока, а не от его объема.

Самый ранний и наиболее интенсивный твердый сток наблюдался весной 2009 года (табл. 4). Это обусловлено сочетанием относительно небольшой мощности снежного покрова, высоким промерзанием почвы (до 81 см) и резким повышением среднесуточной температуры воздуха (до + 10 °С) в первые числа апреля. В этих условиях величина твердого стока на вспаханной пашне составила 110 кг/га, наличие стерни способствовало его уменьшению почти в 4, а леса - 22 раза. На следующий год сток воды был вдвое выше вследствие существенно более высоких запасов воды в снеге перед снеготаянием (на 37 мм), но величина твердого стока была на всех трех участках несколько ниже. Это связано с пониженным фоном температур в период снеготаяния и его большей продолжительностью при меньшей глубине

промерзания почвы. На третий год исследований, несмотря на очень высокие запасы воды в снеге, как жидкий, так и твердые стоки практически отсутствовали. Этому явлению способствовал ряд причин: очень низкие осенние запасы влаги в почве, малая глубина ее промерзания (38 см) из-за мощного снежного покрова (83 см), постепенное таяние снега на фоне умеренных температур и высокая водопроницаемость почвы в период снеготаяния.

Таблица 4. Факторы и показатели водной эрозии при снеготаянии

Показатели Год Водосбор № 1 Пашня (зябь) Водосбор № 2 Пашня (стерня) Водосбор № 3 Лес

Осенние запасы влаги в почве (0-50 см), мм 2008 143.4 144.7 156.3

2009 148.8 149.7 158.2

2010 122.4 123.5 132.4

Максимальные запасы воды в снеге перед снеготаянием, мм 2009 68 70 94

2010 105 106 125

2011 155 157 168

Максимальное промерзание, см 2009 81 81 37

2010 67 67 31

2011 38 38 16.5

Слой стока, мм 2009 19 39 31

2010 41 47 46

2011 0 3 0

Твердый сток, кг/га 2009 110 28 5

2010 104 25 ' 4

2011 0 0,89 0

Коэффициент стока 2009 0.28 0.37 0.25

2010 0.39 0.45 0.37

2011 0 0.02 0

С твердым стоком выносится гумус и питательные вещества, причем их количество зависит от интенсивности стока, наличия растительности и выше по сравнению с почвой водосбора. В 2010 году при более равномерном объемном стоке по сравнению с 2009 годом в общей массе сносимого мелкозема содержалось несколько больше гумуса, азота и фосфора. В твердом стоке с пашни, защищенной стерней, эти потери были существенно ниже, что обусловлено, в первую очередь, меньшим содержанием илистой фракции в его составе (табл. 5). Следует отметить, что и суточные различия водного стока приводят к разному содержанию гумуса и питательных элементов (12 и 13 апреля 2011 года), то есть при большей интенсивности их вынос выше.

Анализ динамики смыва мелкозема показал, что основная масса плодородной почвы смывается в последние дни снеготаяния, когда на фоне повышения температуры воздуха появляются проталины и оттаивает верхний слой. Так, на незащищенной пашне в 2010 году 9, 10 и 11 апреля было смыто 3,9; 66,5; 25,1 кг/га почвы, а содержание гумуса в ней составило 6,5; 7,4; 8,7 % соответственно.

После завершения снеготаяния в почвах разных частей водосборов определяли запасы влаги (табл. 6) и сопротивление пенетрации, характеризующее плотность почвы.

Таблица 5. Г ранулометрический состав твердых стоков на полевом водосборе и стоковых площадок

Место взятия образца Удель иая масса, г/см3 гв, % Размер фракции, мм.; их содержание, % Сумма частиц размером

1- 0,25 0,25- 0,05 0,05- 0,01 0,01- 0,005 0,005- 0,001 <0,001 >0,01 <0,01

Твердый сток при снеготаянии

Зябь 2010 Стерня 12.04.2011 Стерня 13.04.2011 2,42 2,48 2,45 5,19 4,45 4,60 0,76 2,08 0,65 3,50 15,77 8,18 31,92 27,94 34,13 13,85 16,68 10,83 28,20 18,43 26,31 21,77 19,10 19,90 36,18 45,79 42,96 63,82 54,21 57,04

Твердый сток при дождевании

Пашня (1,5 мм/мин) Пашня (2,0 мм/мин) Сенок. (2,0 мм/мин) Сенок. (1,5 мм/мин) 2,33 2,31 2,38 2,35 5,20 5,09 5,01 5,00 0,46 0,52 1,36 1,86 3,98 6,63 5,43 5,05 29,77 29,28 25,92 26,72 12,99 12,13 16,30 15,86 29,82 30,60 28,91 26,79 22,98 20,84 22,08 23,72 34,21 36,43 32,71 33,63 65,79 63,57 67,29 66,37

Таблица 6. Запасы влаги в почве (0-50 см) после снеготаяния на водосборах, мм (п=9)

Часть склона Зябь Стерня Лес

Водораздел 132±2,8 125±1,6 210±3,2

Середина склона 206±2,6 204±2,8 213±4,0

Нижняя часть 213±0,8 198±1,5 215±0,3

После снеготаяния в почвах нижней и средней частей склона на полевых водосборах запасы влаги были в 1,5-2,0 раза выше, чем на водоразделе. Это происходит, очевидно, вследствие того, что водораздел освобождается от снега быстрее и талая вода передвигается в почвенной толще к нижним частям склона, следует также учитывать тот факт, что запасы воды в снеге на водоразделе всегда меньше, чем на склоне. В лесу различия запасов влаги в почве в зависимости от рельефа не существенны.

Весенние запасы влаги в почве являются одним из важных параметров для сельскохозяйственного производства. Так как они формируются преимущественно за счет талой воды, необходимо максимально уменьшить поверхностный сток, прежде всего, за счет увеличения водопроницаемости почвы используя специальные агротехнические приемы.

Сопротивление пенетрации - способность почвы к проникновению в нее агротехнических орудий и корней. Этот показатель сильно различается в зависимости от угодья и возрастает в ряду: пашня (зябь) - лес - пашня (стерня). Следует отметить, что слабое сопротивление почвы на пашне, способствуя благоприятному развитию корневой системы растений, делает ее податливой к уплотнению от сельскохозяйственной техники, что необходимо учитывать при посевных и других агротехнических работах.

5. ВЛИЯНИЕ СНЕГОТАЯНИЯ И ЛИВНЕВЫХ ОСАДКОВ НА ЭРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСЛОВИЯХ СТОКОВЫХ ПЛОЩАДОК

Сравнение результатов показателей водной эрозии при снеготаянии на стоковых площадках и естественных водосборах показало, что максимальные запасы воды в снеге и глубина промерзания почвы перед снеготаянием были больше на стоковых площадках вследствие их расположения на склоне северной экспозиции. Это способствовало несколько большему объему жидкого стока, но величина твердого стока была меньше, чем на естественных водосборах, что обусловлено, в первую очередь, относительно малой длиной площадок. Несмотря на эти различия, общие закономерности развития водной эрозии на небольших стоковых площадках аналогичны естественным водосборам.

Для оценки условий появления жидкого и твердого стока на разных угодьях чернозема выщелоченного при орошении или ливневых осадках были проведены модельные опыты на стоковых площадках. С помощью полива дождевальными установками КИ-5, создающими непрерывный и ДД-30 -прерывистый дождь, моделировали различную интенсивность дождя и его продолжительность. Определяли общее количество вылитой воды и время появления стоков.

Исследования показали (табл. 7), что смыв на непокрытой пашне при непрерывном дожде начинался при его интенсивности 0,17 мм/мин, что по шкале оценки относится к сильным дождям (0,01-0,5 мм/мин). При этом сток начинался почти через 14 часов после начала полива. Даже небольшое увеличение интенсивности до 0,22 мм/мин ускорило начало стока на 6 часов и, за одинаковый промежуток времени было вынесено в 5 раз больше мелкозема. В условиях прерывистого ливневого (0,33 - 1,25 мм/мин), но

непродолжительного дождя (1-1,5 часа) сток отсутствовал, но при дальнейшем увеличении интенсивности до 1,5-2,0 мм/мин сток начинался сразу, и количество сносимого мелкозема в минуту составляло 127-572 кг/га соответственно. Очевидно, что при необходимости относительно высокой интенсивности дождя при поливе нельзя использовать установки непрерывного дождевания.

На естественном сенокосе сток начинался также при интенсивности дождя

0,17 мм/мин, но на 7 часов позже и количество сносимого мелкозема было в 90 раз меньше, чем на непокрытой пашне. Прерывистый ливневый дождь (0,331,25 мм/мин) не вызывал поверхностного стока на протяжении 1-1,5 часов. При увеличении интенсивности дождя до 1,5-2,0 мм/мин, на этом участке, как и на пашне, сток имел место, но позже. В составе сносимого мелкозема при меньшей интенсивности непрерывного дождя содержание гумуса было выше, чем в почвах экспериментального участка, а при высокой интенсивности -ниже, что обусловлено, очевидно, сносом в первом случае преимущественно илистой фракции, а во втором захватывались и песчаные фракции (табл. 5). Содержание гумуса и питательных элементов во всех твердых стоках было

выше, чем в почве склона, а при весеннем снеготаянии их потери были больше, чем при дождевании.

Таблица. 7. Основные показатели величин стока при дождевании

Угодье Количество вылитой воды, м3/га Продолжительн ость полива, мин Интенсивность дождя, мм/мин Время начало стока, мин. Суммарный сток Эрозионнодопустимая поливная норма, м /га

5 « * > * 2 Твердый, т/га Коэффиц иент стока, %

400 360 0.11* - - - _ .

680 420 0.16* - - - . .

2115 1245 0.17* 825 380.1 0.36 17.97 1402

Пашня 2740 1245 0.22* 465 1074.6 1.83 39.22 1023

350 105 0.33 - - - - .

750 60 1.25 - - - .

420 28 1.5 2 97.1 3.56 23.1 3

320 16 2.0 1 63.1 9.15 19.7 2

400 360 0.11* - - - - ,

680 420 0.16* - - - _

2115 1245 0.17* 1245 66.7 0.004 3.15 2116

Сенокос 2740 1245 0.22* 825 274.0 0.041 10.00 1815

350 105 0.33 - . - _ .

750 60 1.25 - - - -

420 28 1.5 66 11.0 0.02 2.8 99

320 16 2.0 И 47.5 1.39 15.3 22

Примечание: * - непрерывный дождь, без знака - прерывистый дождь

С течением времени вынос мелкозема и мутность стока уменьшались. Это связано, по всей видимости, с удалением легко отделяемых частиц в начальный период стока и последующим формированием на поверхности своего рода "отмостки" из более крупных водопрочных агрегатов. Зависимость мутности (г/л) от времени (мин.), прошедшего после начала стока описывается следующими уравнениями (табл. 8):

Таблица 8. Зависимости мутности воды от времени после начала стока (Р=95%)

Интенсивность, мм/мин Вид угодья Теснота связи, И. Уравнение

2.0* Пашня 99 у = 245,2-61,52х+8,46х2-0,31 х3

Сенокос 97 у =1,30+6,02х-0,28х2

1.5* Пашня 96 у=81,6-20,Зх+2,82х‘|-0,10х3

Сенокос 87 у=0,16+7,53х-0,04х*

0.22 Пашня 67 у = -9Е-05х" + 0,1037х - 26,112

Сенокос 66 у = -ЗЕ-Обх1 + О.ООбх - 2,7088

0 17 Пашня 75 у = -8Е-06х'! + 0,0143х - 5,432

Сенокос 79 у = -4Е~06хг + 0,0079х - 4,3011

Примечание: * - непрерывный дождь, без знака - прерывистый дождь

Следовательно, зная время начала стока, его объем и интенсивность дождя можно рассчитать потери плодородной почвы.

Глава 6. ЗАИЛЕНИЕ ПРУДОВ ПРИ ВЕСЕННЕМ СНЕГОТАЯНИИ

Исследования по заилению прудов проводили на прудах (рис.5), являющихся замыкающим звеном полевого водосбора общей площадью 41,3 га (пруд-1), занятого сельскохозяйственными угодьями (зябь - 60 %, стерня многолетних трав — 25 %, сенокос - 15 %) и преимущественно лесного водосбора (лес-90 %, сенокос-10 %) площадью 40,9 га (пруд-2). Основное назначение прудов - источники воды для орошения близлежащих сельхозугодий и водопой для скота. Площадь зеркала пруда-1 составляет 279 м2 при отметке 147,2 м, длина береговой линии 271 м. Площадь зеркала пруда-2 составляет 620 м2 при отметке 147,5 м, длина береговой линии 472 м. Объем пруда-1 при НПУ составляет 115 м3, а пруда-2 - 220 м3. Заиление прудов определялось промерами глубин по намеченным створам с использованием нивелира Sell.

Рис. 5. Топографический план места проведения исследований по заилению прудов

Заиление этих прудов происходит в основном за счет внешних факторов, прежде всего поступления в них мелкозема, доставляемого талыми водами, внутренние процессы играют незначительную роль. В условиях примерно одинаковой крутизны и длины склонов, площади водосбора и типа почвы особенное значение в характере доставки в пруд эрозионного материала

приобретает состояние поверхности почвы и наличие растительности.

Анализ заиления прудов показал что пруд, защищенный лесным водосбором, заиливается в меньшей степени, чем примыкающий к пашне {табл. 9). Скорость заиления в первом случае составила в среднем за 3 года 0,06 мм/год, а во втором - 3,51 мм/год. При такой скорости заиления, зная объем пруда-1 можно рассчитать, что его полное заиление (при отсутствии очистки) произойдет через 150 лет, а пруд-2 сохранится практически в полном объеме. Распределение наносов по чаше прудов было не равномерым: большее количество донных отложений наблюдали у северных (пруд-1) и северозападных берегов (пруд-2), где был сильно выражен боковой приток. Так, в 2009 году после снеготаяния их мощность достигала 98 мм и 4 мм соответственно, в других же частях прудов аккумуляция наносов была незначительной.

При движении водно-эрозионного потока часть твердого стока оседает в транзитном ландшафте, и величина его зависит от состояния поверхности почвы. Расчеты показали, что в пруд-1 в период весеннего снеготаяния может попасть до 25 % твердого стока, а в пруд-2 - до 20 %, то есть твердый сток в большей степени задерживается в лесном водосборе и пруд почти не заиливается.

Таблица 9. Влияние типа водосбора на показатели заиления прудов

Водосбор, пруд Плотность, г/см3 Скорость заиления, мм/год Твердый сток с водосборов, Наклок, кг Коэф. досга

Сло Тверд кг/га вки

жен ИЯ он фазы 2009 2010 2011 2009 2010 2011 2009 2010 2011

Поле, пруд-1 1,01 2,39 4,58 4,12 1,72 77 72 0,4 1290 1161 485 25

Лес, пруд-2 0,71 2,39 0,09 0,07 0,02 5 4 0,1 40 31 9 20

О характере заиления можно судить также исходя из мутности воды в прудах при снеготаянии. В начале снеготаяния мутность в обоих прудах была почти одинаковой, к середине апреля достигла максимальных значений. В пруду, примыкающему к пашне, мутность воды в это время была более чем в 2 раза выше, чем в пруду, примыкающему к лесу.

Зависимость массы поступившего твердого стока (у, кг) от средней мутности в период снеготаяния (х, мг/л) описывается следующими уравнениями: у = 7,47х - 66,28 (11=0,94, Р= 95 %) для пруда-1 и у = 0,51х - 4,99 (Й=0.90, Р= 95 %) для пруда-2.

Агрохимический анализ донных отложений показал, что содержание органического вещества и питательных элементов в них соизмеримо с их количеством в почвах прилегающих территорий. Вместе с тем, отложения пруда, замыкающего лесной водосбор содержат несколько больше гумуса и азота, что обусловлено с одной стороны их большим содержанием в почвах под лесом, а с другой - преобладанием мелкодисперсных фракций смываемой почвы в условиях менее интенсивного стока. В составе наилка пруда-2

содержится меньше песка и больше пыли, особенно мелкой (37 %); гранулометрический состав отложений - среднеглинистый. В составе наилка пруда-1 содержание физического песка и физической глины примерно одинаково; гранулометрический состав - легкоглинистый.

ВЫВОДЫ

1.На черноземах выщелоченных на пологих склонах, защищенных целинным разнотравьем и лесом, водная эрозия практически отсутствует. На распаханных участках встречаются слабо и среднеэродированные почвы. В среднеэродированных черноземах выщелоченных мощность гумусового горизонта составляет в среднем 30 см против 60 см на неэродированной пашне и 80 см в лесу. Пахотный слой среднеэродированных почв отличается глыбистой структурой, повышенной плотностью, пониженной пористостью, влагоемкостью и водоудерживающей способностью на фоне пониженного содержания илистой фракции, гумуса и питательных веществ.

2. В период снеготаяния содержание мелкозема в стоке зависит в первую очередь от степени мерзлотной цементации почвы и температуры воздуха, наличия и характера растительности, тогда как запасы влаги в снеге и общий объем стока не имеют существенного значения. При наличии весеннего стока на распаханных водосборах с малыми уклонами одним кубометром талой воды смывается до 0,6 кг мелкозема. При этом каждый гектар теряет около 100 кг плодородной почвы, из которой выносится до 12 кг гумуса.

3. Основными факторами, определяющими развитие эрозии почв при моделировании ливневых осадков методом дождевания, являются: интенсивность дождя, его продолжительность и состояние поверхности почвы. На естественных сенокосах образование поверхностного стока в условиях сильного ливня ( > 2,0 мм/мин) начинается через 10 минут, при ливне (1,5 мм/мин) через час, при сильном дожде (0,17-0,22 мм/мин) через 14-20 часов, а на вспаханных и не защищенных растительностью черноземах выщелоченных поверхностный сток появляется практически сразу (1-2 мин.) после начала ливня и через 8-14 часов при сильном дожде. Содержание гумуса и питательных веществ в сносимом материале при развитии водной эрозии во время весеннего снеготаяния и дождевания выше, чем в почве склона, т.е. из почвы вымываются наиболее плодородные фракции.

4. Развитие ирригационной эрозии наряду с интенсивностью дождя и его продолжительностью в значительной степени определяется характером полива, т.е. прерывистым или непрерывным дождеванием. При дождевании с перерывами 15-20 минут допустима большая интенсивность дождя, чем при непрерывном и может достигать 1,5 мм/мин, когда в течение часа можно подать среднюю поливную норму (420 м3/га) для естественных и культурных сенокосов,

5. К основным факторам заиления прудов, являющихся замыкающими звеньями водосборов пологих склонов, относятся: смыв со склонов и эрозионной сети, экспозиция склонов, наличие и характер растительности. Во

время весеннего снеготаяния в пруд, примыкающий к полевому водосбору, поступает около 25 % общего твердого стока, а в прилегающий к лесному водосбору - около 20 %. При этом в первом пруду полное заиление может произойти через 150 лет, а второй пруд сохранится практически в полном объеме.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1.Соотношение лесных массивов и пахотных угодий оказывает решающее влияние на величину поверхностного стока, поэтому при расчетном прогнозировании объемов паводковых вод с малоуклонных водосборных площадей необходимо вводить коэффициент стока: для леса - 0,21, для пашни - 0,28, а для стерни многолетних трав - 0,45.

2. При орошении дождеванием установкой ДД-30 на пологих склонах (черноземов выщелоченных) интенсивность дождя не должна превышать 1,5 мм/мин на естественных сенокосах и 1,25 мм/мин на пашне.

3. При проектировании прудов необходимо учитывать вид прилегающих угодий, по возможности увеличивать водоохранную зону при наличии распаханной водосборной площади, проводить закладку лесных водорегулирующих полос и защитных гидротехнических дамб.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК МОН РФ

1. Комиссаров М.А. Деградация и эрозия почвенного покрова при весеннем снеготаянии в Южном Предуралье // Экологические системы и приборы. 2011. № 5. с. 43-47.

2. Комиссаров М.А. Водная эрозия почв в Южном Предуралье // Вода: химия и экология. 2011. № 6. с 86-91.

3. Комиссаров М.А. Эрозия почвы при орошении мобильными дождевыми установками // Мелиорация и водное хозяйство. 2011. № 3. с. 32-34.

4. Комиссаров М.А., Давлетшина М.Р., Либельт П., Сулейманов Р.Р. Развитие эрозионных процессов на черноземе выщелоченном в Южном Приуралье // Известия самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13, № 5 (2). с. 82-86.

5. Комиссаров М.А., Габбасова И.М.Сток талых вод и заиление прудов в Южном Предуралье // Мелиорация и водное хозяйство. 2011. № 5. с. 17-19.

В материалах н тезисах Всероссийских и международных конференций

6. Комиссаров А.В., Сафин Х.М., Лукманова А.Д., Комиссаров М.А. Водно-балансовая станция: на службе аграрной науке // Сельские узоры. Уфа. 2010. №5. с. 26-27.

7. Давлетшина М.Р., Комиссаров М.А., Комиссаров А.В. Закономерности формирования стока талых вод и смыва почвы в Южном Предуралье //

Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове. Сб. материалов IV Всероссийской научной конференции с международным участием. Томск, Россия. 2010, Т. I.e. 56-58.

8. Габбасова И.М., Галимзянова Н.Ф., Гарипов Т.Т., Актуганов Г.Э., Сидорова JI.B., Комиссаров М.А. Получение органо-минеральных удобрений из возобновляемого растительного сырья // Роль науки в инновационном развитии сельского хозяйства. Материалы Всероссийской научнопрактической конференции. Часть II. Уфа: АН РБ, Гилем. 2010. с. 55-60.

9. Габбасова И.М., Сулейманов P.P., Комиссаров М.А., Сидорова J1.B. Использование местных удобрений для повышения плодородия эродированных земель // Научное обеспечение инновационного развития АПК. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Часть I. Уфа. 2010. с. 33-34.

10. Комиссаров М. А., Комиссаров А.В. Основные факторы водной эрозии почвы на водосборах с малыми уклонами в южной лесостепной зоне Республики Башкортостан И Состояние, проблемы и перспективы развития АПК. Материалы Международной научно-практической конференции. Часть И. Уфа. 2010. с. 183-187.

11. Комиссаров М.А. Развитие эрозионных процессов при дождевании // Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов. Материалы Всероссийской научной конференции «XIV Докучаевские молодежные чтения». Санкт-Петербург. 2011. с. 141-142.

12. Комиссаров М.А. Противоэрозионный эффект стерни при весеннем снеготаянии на малых уклонах в Предуралье // География и геоэкология Сибири. Материалы VI Международной научно-практической конференции. Красноярск. 2011. с. 73-75.

13. Комиссаров М.А. Ирригационная эрозия почв при поливе дождеванием в Южном Предуралье // Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий. Материалы I Международной научнопрактической конференции. Чебоксары. 2011. с. 172-174.

Отпечатано с готовых диапозитивов в ООО «Принт+», заказ № 289, тираж 100. 450054, пр. Октября, 71.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Комиссаров, Михаил Александрович, Уфа

61 12-3/559

На правах рукописи

КОМИССАРОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАЗВИТИЕ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ ПОЧВ НА ПОЛОГИХ СКЛОНАХ В южном

ПРЕДУРАЛЬЕ

03.02Л3 -почвоведение

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Габбасова И.М.

Уфа - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................... 3

Глава 1 ВОДНАЯ ЭРОЗИЯ ПОЧВ И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ

ЕЕ РАЗВИТИЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)........................ 7

Глава 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...................... 38

2.1 Природные условия Предуралья Республики Башкортостан

2.1.1 Климат..................................................................... 38

2.1.2 Рельеф..................................................................... 40

2.1.3 Почвообразующие породы.......................................... 41

2.1.4 Почвенный покров...................................................... 42

2.1.5 Растительность................................................................ 44

2.2 Объекты и методы исследований..................................... 47

Глава 3 ВЛИЯНИЕ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА

СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМОВ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ НА ПОЛОГИХ СКЛОНАХ................................................ 49

3.1 Влияние эрозии почв на свойства почвы............................ 49

3.2 Характеристика почв разной степени эродированное™ на территории Водно-балансовой станции........................... 51

Глава 4 ЭРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СНЕГОТАЯНИИ НА

ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОСБОРАХ.................................. 60

4.1 Влияние агроэкологических факторов на величину твердого стока и его состав...................................................... 61

4.1.1 Характеристика агроэкологических факторов в зимний период...................................................................... 64

4.1.2 Развитие водной эрозии при снеготаянии........................... 72

4.1.3 Водно-физические свойства почв водосборов после снеготаяния............................................................... 77

4.2 Прогнозирование эрозии и математические модели смыва почв......................................................................... 78

Глава 5 ВЛИЯНИЕ СНЕГОТАЯНИЯ И ЛИВНЕВЫХ ОСАДКОВ НА ЭРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА РАЗНЫХ АГРОФОНАХ В УСЛОВИЯХ СТОКОВЫХ ПЛОЩАДОК........................... 82

5.1 Закономерности развития эрозионных процессов при снеготаянии................................................................ 83

5.2 Развитие водной эрозии при моделировании ливневых осадков методом дождевания.......................................... 86

Глава 6 ЗАИЛЕНИЕ ПРУДОВ ПРИ ВЕСЕННЕМ СНЕГОТАЯНИИ... 99

ВЫВОДЫ.................................................................. 107

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ................................. 108

ЛИТЕРАТУРА............................................................ 109

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................... 132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Эрозия почв - одна из важнейших мировых экологических проблем, ведущих к потере почвенных ресурсов. Являясь наиболее распространенной из всех видов почвенной деградации, она приносит громадный экономический и экологический ущерб, так как угрожает самому существованию почвы как основному средству сельскохозяйственного производства и незаменимому компоненту биосферы (Добровольский Г.В., 1993). Согласно данным ФАО, общие мировые потери продуктивных земель от эрозии оцениваются примерно в 6,7 млн. га, а потери плодородного слоя - в 24 млн. т ежегодно (Lai R., 199!).

Современная водная эрозия проявляется при сочетании природных и антропогенных факторов. Сочетание определенных природных факторов создает предпосылки для проявления ускоренной эрозии, а нерациональная хозяйственная деятельность является основной причиной ее развития (Кирюшин В.И., 1996).

В Южном Предуралье значительная доля пашни расположена на склонах крутизной 1-3°, где нередко развивается водная эрозия почв. Одной из основных природных причин ее развития является весенний сток. Среди антропогенных факторов эрозионно-опасными являются: вспашка с оборотом пласта вдоль склона, посев на них пропашных культур, несоблюдение режимов орошения дождеванием.

Целью исследований явилось изучение влияния основных агроэкологических факторов на развитие водной эрозии на пологих склонах в Южном Предуралье.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Дать характеристику комплекса свойств черноземов выщелоченных, сформированных на водоразделе и пологих склонах на пашне, целине и под лесом.

2. Изучить влияние мощности снежного покрова, глубины промерзания почвы и скорости снеготаяния, степени защищенности почвы растительностью на величину твердого стока и его состав на водосборах с малыми уклонами.

3. Определить основные факторы, влияющие на развитие водной эрозии при моделировании ливневых осадков методом дождевания.

4. Изучить влияние различного качества дождя при поливе дождеванием на развитие ирригационной эрозии.

5. Изучить характер и степень заиления прудов, расположенных вблизи пашни и леса.

Научная новизна. Впервые для территории Южного Предуралья проведены комплексные исследования по влиянию агроэкологических факторов в том числе: мощности снежного покрова, глубины промерзания почв и скорости снеготаяния, количества осадков и их интенсивности, степени защищенности земель растительностью на развитие эрозионных процессов на черноземах выщелоченных, сформированных на пологих склонах. Показано, что величина твердого стока в период снеготаяния зависит в первую очередь от степени мерзлотной цементации почвы и температуры воздуха, наличия и характера растительности, а запасы влаги в снеге и общий объем стока не имеют существенного значения. Впервые для региона определены физические и химические свойства твердого стока, образующегося в различных условиях. Выявлены эрозионно-допустимые нормы и интенсивность поливов при непрерывном и прерывистом дождевании.

Основные положения, выносимые на защиту.

Характеристика черноземов выщелоченных, сформированных на водоразделе и пологих склонах на пашне, целине и под лесом.

Специфика развития водной эрозии почв на пологих склонах, в зависимости от ряда агроэкологических факторов в условиях весеннего снеготаяния, моделирования ливневых осадков и орошения.

Основные факторы и особенности заиления прудов, примыкающих к полевым и лесным водосборам.

Практическая значимость и рекомендации производству.

Полученные материалы могут быть использованы при составлении прогнозов развития эрозии почв на пологих склонах в зависимости от вида угодья и природно-климатических условий региона. Выявленные эрозионно-допустимые поливные нормы и интенсивность дождя на склоновых землях целесообразно учитывать при расчете режимов орошения. При проектировании прудов необходимо оценивать вид прилегающих угодий, по возможности увеличивать водоохранную зону при наличии распаханной водосборной площади, проводить закладку лесных водорегулирующих полос и защитных гидротехнических дамб.

Материалы исследований используются при чтении курса «Мелиорация и рекультивация земель» на факультете Землеустройство и Лесное хозяйство в Башкирском Государственном Аграрном Университете.

Связь работы с научными программами. Работа выполнена при поддержке Фонда Фольксваген «Влияние землепользования (в постсоветский период) и изменение климата на водный баланс ландшафтов в лесостепной зоне Башкортостана» (Программа: 1/81581; Проект: 60601171).

Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы доложены и опубликованы в материалах: IV Всероссийской научно-практической конференции «Отражение био-, reo-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Роль науки в инновационном развитии сельского хозяйства» (Уфа, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение инновационного развития АПК» (Уфа, 2010); Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития АПК» (Уфа, 2010); Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и

антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург, 2011); VI Международной научно-практической конференции «География и геоэкология Сибири» (Красноярск, 2011); I Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий» (Чебоксары, 2011).

По материалам исследований опубликовано 13 работ, в том числе 5 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является обобщением результатов исследований автора, проведенных в 2008-2011 гг. Тема, цель, задачи, объекты, методы и программа исследования определены автором совместно с научным руководителем. Полевые исследования в период снеготаяния, опыты с моделированием ливневых осадков и топографическая съемка экспериментальной территории проведены лично автором. Аналитические исследования проведены автором лично или с его участием. Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 131 странице, состоит из введения, шести глав, выводов, рекомендаций производству и приложение. Список литературы включает 275 работ, в том числе 16 работ зарубежных авторов. Диссертация иллюстрирована 22 рисунками и 20 таблицами.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность сотрудникам лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН и научному руководителю за помощь и высококвалифицированные консультации.

Глава 1. ВОДНАЯ ЭРОЗИЯ ПОЧВ И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЕЕ РАЗВИТИЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Из данных конференции ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) следует что, среди видов деградации почв наибольшее распространение получили: водная эрозия (56 %), дефляция (28 %), химическая (12 %) и физическая (4 %) эрозии почв. Ежегодно на планете около 25x109 тонн почвы смывается в процессе водной эрозии, что приводит к выведению из оборота 6x106 га продуктивных сельскохозяйственных земель, не подлежащих восстановлению.

По предварительным подсчетам американского ученого X. Беннета (1958) для создания из материнской породы слоя почвы толщиной 2,5 см при хорошем растительном покрове требуется от 300 до 1000 и более лет, тогда как при ветровой и водной эрозии нередко буквально за несколько суток сносится 10 и более сантиметровый слой почвы.

Эрозия почв наносит большой вред окружающей среде. Она приводит к уменьшению мощности гумусового горизонта почв, потере гумуса и элементов питания растений (Т\[, Р, К), ухудшению физических и физико-химических свойств почв, что в конечном итоге ведет к снижению плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур. Как отмечает А.Н. Каштанов и др. (1999), на нашей планете эрозии подвержены все континенты, за исключением Антарктиды.

В сельском хозяйстве эрозия снижает плодородие почв, увеличивает число и рост оврагов, а «... с развитием сети оврагов увеличивается испаряющая поверхность данной местности; весенние и дождевые воды гораздо быстрее стекают со степи в низины, вследствие чего уменьшается количество поступающей в почву влаги, а это должно вызывать неизбежное понижение горизонта грунтовых вод. Благодаря той же причине теми же оврагами сносится со степи масса плодородной земли - засоряются источники и забиваются песком и илом реки и озера», - писал Василий Васильевич (Докучаев, 1949). Многочисленные исследования

свидетельствуют, что интенсивность роста оврагов в значительной степени определяется гидрометеорологическими условиями (Е.Ф.Зорина, 2003, 2006; Назаров H.H., 1992; Чалов P.C., 1989; А.П. Дедков, 1990; Рысин H.H., 1998). Исследования показали, что на востоке Русской равнины 70-80% годового прироста приходится на весенний период, при этом выявлена ведущая роль таких метеорологических факторов, как интенсивность снеготаяния и запасы воды в снеге. Анализ данных 20-летних стационарных исследований на территории Удмуртии (1978-1997 гг.), в общем, подтвердил указанные зависимости (И.И. Рысин, И.И. Григорьев, 2010).

Плодородие почв снижается по мере увеличения степени смыва. На сильносмытых землях потери могут достигать 80 %, на среднесмытых - 4060 %, на слабосмытых - 10-20 % (Явтушенко, 1967). Это связано с потерей гумуса и элементов питания, снижением биологической активности, ухудшением структуры и других свойств почв.

Эрозия почв также приводит к проявлению ряда других негативных последствий, оказывающих отрицательное влияние на различные компоненты окружающей среды, особенно на водные. В результате эрозионных процессов со стоком (талой или ирригационной воды) вымываются семена (Cerda A., Garca-Fayos Р., 2002), вместе со сносимой почвой (мелкоземом) в пруды, реки, водохранилища попадают вносимые в почву удобрения, гербициды, пестициды и другие химические вещества, применяемые в сельском хозяйстве. Все это приводит к экологической нагрузке на водный объект и его обитателей. Нередко после снеготаяния на водном объекте снижается качество воды, происходит его заиление и эвтрофикация (Sayer Carl D., Roberts Neil., 2001), возможна гибель рыбы.

Площадь эродированных сельскохозяйственных угодий в Республике Башкортостан составляет 4,7 млн. га или 64 % угодий всех категорий земель, еще 1,4 млн. га являются эрозионно-опасными. Наиболее распространена водная эрозия, ей подвержено 3,4 млн. га сельхозугодий. Особенно она проявляется на пашне - 2,6 млн. га, что составляет 55 % всех пахотных

земель республики (Хазиев Ф.Х. и др., 1997). Площадь только эродированных пахотных почв, гумусовый горизонт которых смыт до 30 % составляет 3117,6 тыс. га. Кроме этого имеются еще 613,6 тыс. га пашни, эродированных в средней и сильной степени со смытым гумусовым горизонтом на 30 и более процентов (Хабиров И.К., 2000).

В среднем по республике потенциально возможный смыв почвы составляет 9,6 т/га в год или 45,5 млн. т мелкозема со всей площади пашни (Хазиев Ф.Х. и др., 1997). Смыв почвы начинается уже при уклоне поверхности пашни 1 градус и более. В республике на склонах крутизной 13° расположено 42 % пашни (Абдрахманов Р.Ф. и др., 2002).

Так как основным ландшафтом в исторически давно освоенном в сельскохозяйственном плане Южном Предуралье является агроландшафт, то водосборы большинства прудов и водохранилищ в этом регионе представлены пахотными и другими сельскохозяйственными угодьями. Предуралье характеризуется высокой сельскохозяйственной освоенностью (83 %) и распаханностью (66 %) территории (A.M. Гареев, 2010), а чрезмерная эксплуатация водосборов приводит к увеличению потерь почвы и количества наносов (Frielinghaus M., Vahrson W.-G., 1998; Descroix L., Gautier E., 2002).

При изучении водно-эрозионных процессов недостаточно внимания уделяется заилению прудов и водохранилищ. Между тем искусственные водоемы являются замыкающим звеном эрозионно-русловой системы, поэтому их проектирование и эксплуатация зависят от сложных природно-антропогенных процессов, происходящих на их водосборах, в первую очередь водно-эрозионных. Поэтому, изучая интенсивность заиления прудов и водохранилищ, необходимо учитывать интенсивность эрозионных процессов на пашне и характер доставки наносов по гидрографической сети (Шумаков А.Н., 2007).

В этой связи изучение механизмов водной эрозии, зависимости стока талых вод от метеоусловий на разных угодьях, характер заиления прудов

являются весьма актуальными.

Почва - незаменимое достояние и источник богатства человечества. В.В.Докучаев (1949) считал, что: «чернозем для России дороже всякой нефти, всякого каменного угля, дороже золота и железных руд; в нем -вековечное, неистощимое русское богатство!». Без золота человек может прожить, а вот без почвы - едва ли. Вместе с нефтью и газом почва относится к невозобновляемому ресурсу (Дежкин, 1997). Если запасы нефти и газа ежегодно неизбежно уменьшаются, то почва в отличие от них, при правильном рациональном использовании способна не только не изнашиваться, но даже улучшаться и повышать свое плодородие. Плодородие - эмерджентное свойство почвы, оно обуславливает урожайность возделываемых культур. В наше время почти всю массу продовольствия (98-99 %) человечество получает в результате возделывания земли, используя великое свойство почвы - ее плодородие (Добровольский, 1998). И именно ускоренной эрозией уничтожается плодородный слой почвы.

По мнению писателя Ж. Дорста (1968) «ускоренная эрозия почв представляет собой сейчас самое серьезное и самое тяжелое последствие вторжения человека в окружающую среду».

Эрозия почв - понятие крайне обширное. На протяжении всей истории развития эрозиоведения, термин «эрозия почв» (от лат. «Егоэю» - означает разъедание^ в своей трактовке претерпевал изменения. По мнению Г. П. Сурмача (1992) водная эрозия - это единый процесс формирования временного поверхностного стока вод, отрыва частиц почвы или породы и их переноса водными струями или потоками. М.Н. Заславский (1983) под термином «эрозия почв» понимает: смыв и размыв почв, а иногда и почвообразующих по�